Информационно-измерительная и управляющая система для строительно-монтажных работ - Автореферат

Современные здания (сооружения) - это сложные многоэлементные системы, обладающие неоднородной структурой с различными прочностными и деформационными характеристиками элементов конструкций, включающие в себя кроме самого здания, также и подземную часть - фундамент и грунт, которые по отношению к зданию являются нагружающими системами и оказывают существенное воздействие на процесс разрушения. Методы решения комплексной задачи - совместного расчета здания, фундамента и деформируемого грунтового основания - разработаны в меньшей степени, хотя в настоящее время некоторые исследователи уже обращаются к методам численного моделирования сооружений с использованием ЭВМ, выделяя те или иные аспекты в своих исследованиях. Несмотря на значительное разнообразие автоматизированных систем и методов наблюдений за деформацией зданий и промышленных сооружений, монтажа элементов строительных объектов различного исполнения и назначения, необходимо решение технологических вопросов по разработке информационно-измерительной системы, обеспечивающей автоматизацию управления технологическим процессом перемещения и установки строительных конструкций в процессе монтажа промышленных объектов, с последующим контролем деформаций земной поверхности и сооружений при их эксплуатации с использованием лазерных устройств, что позволит повысить производительность и безопасность маркшейдерских работ. Цель работы состоит в создании научно-методических основ моделирования и аппаратно-программных средств информационно-измерительной и управляющей системы, направленных на разработку математической модели и ее численного аналога пространственной системы ЗФО и повышение уровня контроля деформаций зданий и сооружений, обеспечивающих автоматизацию процесса установки крупноблочных конструкций в проектное положение, возможность учета появления трещин в кирпичной кладке или железобетоне, что будет способствовать совершенствованию вычислительных технологий оценки решений в условиях возникновения воздействий, не предусмотренных первоначальным проектом, внедрение которых имеет существенное значение для решения проблемы безопасности зданий и сооружений. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - разработать базовую математическую модель пространственной системы ЗФО для исследования напряженно-деформированного состояния элементов конструкций при различных внешних воздействиях, методику построения конечно-элементной модели системы ЗФО и разработать универсальную программу для построения и расчета типовых зданий для использования ее при проектировании новых и реконструкции существующих объектов строительства;Неравномерные осадки основания и, как результат этого, деформации надземных конструкций, а соответственно и трещины в несущих стенах зданий, могут быть также вызваны следующими причинами: - увеличением нагрузок на основание при строительстве нового здания вблизи застройки или при пристройке к существующему зданию новых зданий и сооружений, если активные зоны под их фундаментами накладываются друг на друга, вызывая дополнительные вертикальные деформации грунта основания и здания; при надстройке здания; , i, j, k, l = 1,2,3, где - символ Кронекера, определяемый соотношениями и связь между напряжениями и деформациями (2) для изотропной линейно-упругой кусочно-однородной среды имеет вид: , , где - относительная объемная деформация или первый инвариант тензора деформации, описывающий относительное изменение объема среды; l и m - так называемые упругие параметры Ляме, которые для неоднородного материала являются функциями координат. Тогда выражения (3) для материала с раскрытой трещиной в плоскости, перпендикулярной оси х1 запишется в виде (5): Выражая напряжения через деформации и вводя понижающий коэффициент в соответствующие сдвиговые жесткости, физические уравнения для данного случая получим в виде (6). Т.е. коэффициенты жесткости в определяющих соотношениях (4) для материала с раскрытой трещиной в плоскости, перпендикулярной направлению х1 имеют вид: Аналогично получены коэффициенты жесткости для открытой трещины в направлениях, перпендикулярных осям х2 и х3 соответственно. Устройство включает в себя: два лазерных излучателя Л1 и Л2, каждый из которых состоит из лазера, оптической телескопической системы и устройства вертикальной стабилизации лазерного луча; модуляторы лазерного излучения Ml и М2; сканирующие устройства СК1 и СК2; неподвижное ФПУ Ф1; подвижное ФПУ Ф2, установленное на объекте; вычислительное устройство ВУ, производящее расчет координат объекта; низкочастотный генератор прямоугольных импульсов 1; счетный триггер 2; два R-S триггера 3 и 4; два логических элемента 2И 5 и 6; четыре преобразователя время - код 7, 8, 9, 10.Создана базовая математическая модель для анализа процессов деформирования и разрушения пространственной системы ЗФО при силовых и кинематических воздействиях и предложена эффективная методика построения конечно-элементной модели сооружения для проведения вычислительных экспериментов по исследованию НД

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Создана базовая математическая модель для анализа процессов деформирования и разрушения пространственной системы ЗФО при силовых и кинематических воздействиях и предложена эффективная методика построения конечно-элементной модели сооружения для проведения вычислительных экспериментов по исследованию НДС элементов конструкций с учетом нелинейного поведения материалов.

2. Разработана обобщающая математическая модель механического поведения кирпичной кладки в условиях сложного напряженного состояния, учитывающая структурные разрушения и деформационное разупрочнение материала. Адекватность модели подтверждена сопоставлением с результатами натурных экспериментов. Установлены такие показатели оценки безопасности кирпичных зданий, как условия появления, процесс распространения трещин в несущих стенах зданий и резерв их несущей способности.

3. На примере ретроспективного анализа причин трещинообразования в несущих стенах реального кирпичного здания доказана адекватность разработанной математической модели деформирования и разрушения пространственной системы ЗФО, учитывающей процессы структурного разрушения и деформационного разупрочнения и обоснован проект мероприятий по обеспечению безопасной эксплуатации здания.

4. Применена лазерная техника для строительно-монтажных работ, которая позволила создать референтное направления в виде ориентированной в пространстве прямой линии или плоскости (горизонтальной, вертикальной или наклонной), разработать визуальные и фотоэлектрические способы регистрации положения контролируемых точек в пространстве; изучить факторы, влияющие на деформацию и отклонение лазерного луча от заданного направления для введения соответствующих коррекций и разработать автоматизированные лазерные следящие системы с обратной связью.

5. Созданы схемы, технические решения, технологические приемы и алгоритмы, объединенные в автоматизированную систему контроля и управления строительными объектами и процессами, позволяющую более точно оценивать положения реперных точек исследуемых объектов и своевременно обнаруживать признаки, предшествующие возникновению чрезвычайных и аварийных ситуаций зданий и сооружений, для принятия оперативных мер по их предупреждению при производстве строительно-монтажных работ.

6. Предложены принципы экстраполяции траектории движения конструкции в зависимости от наличия возмущений, позволяющие исключить перерегулирование при управлении, что обеспечивает перемещение конструкции с минимальной кривизной траектории и способствует повышению эксплуатационных характеристик строящихся сооружений.

7. Доказано, что расчетные траектории, полученные на базе аналитических зависимостей, описывающих управляемое движение, адекватны экспериментальным (расхождение не превышает 8%), что свидетельствует о справедливости математических моделей, составляющих основу устройств управления, и оценки возмущений, действующих на конструкцию при ее движении.

8. Внесен научный вклад в основы синтеза систем автоматического управления с учетом ограничений как по управляющим воздействиям, так и по фазовым координатам объекта, что является дальнейшим развитием теории управления для данного класса динамических объектов.

9. Составлен алгоритм управления процессом центровки конструкций, дающий возможность преобразовывать отклонения их центра от заданной лазерной опорной оси в соответствующие сигналы двигателей механизмов радиального перемещения, обеспечивает надежное выполнение этой операции с точностью в мм.

10. Разработаны новые методики определения микросмещений точек исследуемых объектов в вертикальных и горизонтальных плоскостях, обеспечивающих требуемую точность маркшейдерских измерений, а также оригинальные решения маркшейдерско-геодезических измерений, учитывающих особенности лазерных излучателей и фотоприемнорегистрирующих устройств, предложенных автором (АС №1618240).

11. Предложены технические устройства и способы управления, корректировки, исполнения и фиксации объектов при геодезической оценке координат их положения или установки с использованием лазерных приборов, что позволило производить контроль положений координатных точек с точностью 100-3000 мкм.

12. Осуществлен анализ и расчет абсолютных и относительных погрешностей функциональных величин координатных оценок и их учет при управлении процессом производства работ, с применением лазерных устройств и систем спутниковой навигации, обеспечивающих необходимое быстродействие, зону контроля для управления мобильными объектами различного технологического назначения.

13. Проведены экспериментальные исследования для получения данных по оценке и сопоставлению теоретических расчетов результатов экспериментов по параметрам геодезических координат и факторам, на них влияющим, при производстве строительно-монтажных работ.

14. Создана совокупность теоретических положений подходов, методов, алгоритмов и программных средств моделирования процессов деформирования и разрушения строительных сооружений при исследовании их безопасности, а также синтез систем автоматического управления, являющихся дальнейшим развитием теории и практики в автоматизации процессов монтажа строительных конструкций и маркшейдерско-геодезического контроля зданий и сооружений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ АВТОРА

Монографии и учебные пособия

1. Спиридонов В.П., Пахомов Е.М., Васильев А.А. Учебно-методическое пособие по повышению квалификации инженеров и техников на право ответственного производства маркшейдерских работ при открытой разработке месторождений полезных ископаемых. Москва: Изд-во МГОУ, 1994. 24 с.

2. Спиридонов В.П., Пахомов Е.М., Васильев А.А. Учебно-методическое пособие по маркшейдерскому делу для слушателей курсов повышения квалификации на право ответственного ведения горных подземных работ. Москва, Изд-во МГОУ, 1994. 14 с.

3. Спиридонов В.П., Пахомов Е.М., Васильев А.А. Учебно-методическое пособие по повышению квалификации на право ответствен. ведения горных и маркшейдерских работ при открытой разработке месторождений полезных ископаемых. Москва, Изд-во МГОУ, 1997. 16 с.

4. Спиридонов В.П., Исаков В.И., Гутенев В.В., Юнак А.И. и д.р. Экология. Военная экология. Учебник. / Под ред. В.И Исакова. Изд. 2, перераб. и доп. - М.-Смоленск: ИД Камертон-Манджента, 2006. - 724 с.

5. Спиридонов В.П., Денисов В.В., Гутенев В.В. и др. Безопасность жизнедеятельности. Защита населения и территорий при чрезвычайных ситуациях. Учебное пособие. /Под. ред. В.В. Денисова. - М-Ростов н/Д: Издательский центр «МАРТ», 2007. - 715 с.

6. Спиридонов В.П. Методологические основы создания информационно-измерительных и управляющих систем для строительно-монтажных работ. Екатеринбург-Ижевск: Изд-во ИЭ УРО РАН, 2007. - 225 с.

Научные статьи в центральных изданиях, рекомендованных ВАК РФ

7. А.с. №1618240 (СССР), МКИ G 06 К 15/14. Непрерывный газовый лазер / Спиридонов В.П., Милинкис Б.М. - №4460576. Заявл. 01.09.1988. Опубл. в Б.И. 1989, №16.

8. Спиридонов В.П. Фотоприемные устройства светодальномеров. "Маркшейдерский вестник", вып. 2, М., 1994, с. 60-62.

9. Спиридонов В.П. Метод фотоприемного контроля смещений горных пород и сооружений. "Маркшейдерский вестник", вып. 2, М., 1994, с. 69-73.

10. Спиридонов В.П. Перспективы совместного применения датчиков и микро-ЭВМ для маркшейдерских измерений // Маркшейдерский вестник. - вып. 1, 1995. - с. 18-20.

11. Спиридонов В.П. Способ автоматических измерений микродеформаций массивов и сооружений // Маркшейдерский вестник. - №4, 1997. - С. 27-28.

12. Спиридонов В.П. Использование метана угольных месторождений // Энергосбережение и водоподготовка. - №1, 1997. - с. 19-21.

13. Спиридонов В.П. Деформация массива горных пород, сооружений и их контроль // Маркшейдерский вестник. - №1-2, 2001. - с. 37-41.

14. Гудков В.М., Спиридонов В.П. Критерии устойчивости горнопромышленных сооружений и зданий // Маркшейдерский вестник. - вып. 2, 2004. - с. 68-71.

15. Спиридонов В.П., Кашеварова Г.Г. Математическая модель для прочностного анализа пространственной системы "здание-фундамент основание" // Вестник Московской Академии рынка труда и информационных технологий. -2007- №24(46), с. 61-67

16. Спиридонов В.П., Бирюков Г.Н. Мониторинг деформаций земной поверхности, зданий и сооружений спутниковыми системами // Маркшейдерия и недропользование. - №1, 2007. - с. 46-52.

17. Спиридонов В.П., Кашеварова Г.Г. Обоснование выбора определяющих соотношений нелинейной упругости и пластичности для замыкания краевой задачи. // Вестник Московской Академии рынка труда и информационных технологий. -2007- №24(46), с. 83-91.

18. Спиридонов В.П., Кашеварова Г.Г. Разработка и применение моделей определяющих соотношений упруго-хрупких материалов с учетом накопления повреждений. // Вестник Московской Академии рынка труда и информационных технологий. -2007- №24(46), с.67-77.

Статьи в региональных журналах, сборниках научных трудов, а также материалы конференций

19. Спиридонов В.П. Унифицирование блоков питания для радио- и светодальномеров. Тез. ХХХ1 Научно-технической конференции. ВЗПИ, 1988. - с. 107.

20. Спиридонов В.П., Ткачева Т.А. Исследования высокочувствительных ФПУ для контроля малых помещений. Межотраслевая научная пр. «Проблемы повышения надежности, уровня безаварийной эксплуатации электр. технических систем комплексов и оборудования горных предприятий». Москва, 1993 г.

21. Спиридонов В.П. Разработка способа и средств повышения точности маркшейдерских наблюдений микродеформаций массива горных пород и сооружений. М.: МГОУ, 1996. - с. 115.

22. Спиридонов В.П. Об исследовании высокочувствительного фотоприемного устройства для контроля малых перемещений объектов в горизонтальной, вертикальной плоскостях / Межведомственная конференция // Современные проблемы информационных технологий. - М.: МГОУ, 1996. - с. 18-20.

23. Спиридонов В.П., Ткачева Т.А. О метрологических свойствах частных мостовых измерительных преобразователей на RC-цепях / Тез. Российской научной L III сессии, посвященной дню радио. - М.: РНТОРЭС, 1998. - с. 15.

24. Спиридонов В.П. Контроль деформаций массива горных пород / Тез. XXXVI Научной конференции РУДН. - М.: РУДН, 2000. - с. 8.

25. Спиридонов В.П. Маркшейдерский контроль строительства на горных предприятиях / Тез. XXXVI Научной конференции РУДН. - М.: РУДН, 2000. - с. 8.

26. Спиридонов В.П., Ткачева Т.А. и др. Особенности методов стабилизации лазерного излучения в геодезических системах / Российская научная LV сессия, посвященная дню радио. // Радиотехника, электроника и связь на рубеже тысячелетия. - М.: РНТОРЭС, 2000. - с. 214-215.

27. Спиридонов В.П., Ткачева Т.А. и др. Информационные технологии в горном и металлургическом производстве / Российская научная LV сессия, посвященная дню радио. // Радиотехника, электроника и связь на рубеже тысячелетия. - М.: РНТОРЭС, 2000. - с. 215-216.

28. Спиридонов В.П. Оптико-электронная система контроля и обработки информации сдвижения горных работ // Вестник Российского университета дружбы народов. М.: РУДН, 2000. №2. - с. 67-72.

29. Спиридонов В.П., Ткачева Т.А. и др. Исследование фотоприемных систем / Шестая научно-техническая конференция // Информационные технологии в промышленности и учебном процессе. - М.: МГОУ, 2001. - с. 25-26.

30. Спиридонов В.П. Контроль деформаций массива горных пород / Научно-техническая конференция // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт. - Новосибирск: НГАВТ, 2002. - с. 185-192.

31. Спиридонов В.П. Оптико-электронная система контроля и обработки информации сдвижения горных пород / Научно-техническая конференция // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт. - Новосибирск: НГАВТ, 2002. - с. 192-199.

32. Спиридонов В.П. Некоторые вопросы контроля начальной (скрытой) стадии микродеформаций массива горных пород и сооружений // Горная механика, №1, Минск: Институт проблем ресурсосбережения с опытным производством, 2003. - с. 41-48.

33. Спиридонов В.П. Мониторинг деформаций здания при усилении фундаментов // Новосибирск: НГАВТ, 2003 - с. 7.

34. Фомичев П.А., Фомичева Е.Н., Спиридонов В.П. Исследование формы дросселирующих отверстий в гидравлическом поршне виброизолирующей опоры // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока, №2, Новосибирск: НГАВТ, 2003. - с. 131-143.

35. Спиридонов В.П., Чухлатый М.С. Контроль деформаций грунтового основания здания с использованием лазера / Международная научно-техническая конференция. - Тюмень: ТГНУ, 2003. - с. 122 -124.

36. Спиридонов В.П., Чухлатый М.С. Лазерный мониторинг осадок поверхности грунтовых оснований при взаимовлиянии зданий / Международная научно-техническая конференция. - Тюмень: ТГНУ, 2003. - с. 124 -127.

37. Спиридонов В.П. О деформациях горных пород / Конференция научно-технических работников вузов и предприятий. Часть 1. -Новосибирск: НГАВТ, 2003. - с. 188-190.

38. Спиридонов В.П. Приборы контроля и обработки информации сдвижения горных пород / Конференция научно-технических работников вузов и предприятий. Часть 1. - Новосибирск: НГАВТ, 2003. - с. 190-191.

39. Спиридонов В.П. Деформации горных пород и сооружений, предупреждение чрезвычайных ситуаций // Горная механика, №1-2, Минск: Институт проблем ресурсосбережения с опытным производством, 2004. - с. 28-34.

40. Паниткин А.С., Спиридонов В.П. Варианты построения схем заземляющих устройств. Материалы Х Международной научно-практической конференции "Наука-Сервису", МГУ сервиса, 2005.- с. 17.

41. Паниткин А.С., Спиридонов В.П. Защита от действия внешних помех оборудования кабельных сетей. Материалы Х Международной научно-практической конференции "Наука-Сервису", МГУ сервиса, 2005. - с. 59.

42. Паниткин А.С., Спиридонов В.П. Требования к системам заземления и электромагнитной совместимости. Материалы Х Международной научно-практической конференции "Наука-Сервису", МГУ сервиса, 2005. - с.11.

43. Паниткин А.С., Спиридонов В.П. Эффективность экранирования кабелей в ЛВС. Материалы Х Международной научно-практической конференции "Наука-Сервису", МГУ сервиса, 2005.- с. 62.

44. Паниткин А.С., Спиридонов В.П., Теодорович Н.Н. Проблемы развития электротехнических комплексов и информационных систем / Материалы 2-ой Международной научно-практической конференции под ред. Артюшенко В.М. М.: МГУ сервиса, 2006. - с. 68-72.

45. Дмитриев В.Г, Спиридонов В.П., Судьин А.А. Математическое моделирование процессов нелинейного деформирования неоднородных строительных конструкций при сейсмических воздействиях. Материалы Х111 Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. Ярополец, 2007, Москва, МАИ. - с. 91-92.

Размещено на .ru